基于AC-DC开关电源外接滤波电路设计

刘艳竹

(广东省惠州工程技术学校 电子科，广东 惠州 516001)

基于AC-DC开关电源外接滤波电路设计

刘艳竹

(广东省惠州工程技术学校 电子科，广东 惠州 516001)

为了抑制EMI噪声，使得开关电源的输出电压更加稳定，保证电路的稳定运行，文中设计了基于AC-DC开关电源的外接滤波器电路。通过对某L系列的开关电源进行测试，对开关电源中所存在的干扰进行分析，分别针对不同噪声提出了相应的抑制电路，最后将电路相结合得到完整的滤波电路。实验测试表明，该电路能够有效抑制开关电源电路中普遍存在的两种噪声，使得开关电源输出电压更加稳定，保证了电路的正常运行。

开关电源；滤波电路；EMI噪声

开关电源由于在多方面具备较大的优势，例如体积较小、重量轻、效率高等优点，因而被广泛应用于电子设备以及电子信息行业中，其在现代电子信息技术领域中具有较大的影响力[1-3]。所谓开关电源，即通过控制功率管的导通和关断的时间来输出稳定电压的一种电源。一个完整的开关电源包含了整流滤波电路、变压器、比较放大电路、JFET管以及脉冲频率调制电路等[4-6]。

与线性电源相比，开关电源拥有诸多优势，但由于其是基于功率转换来实现稳定电压的输出，使得开关电源易产生较强的电磁干扰(Electron-Magnetic Interference，EMI)噪声[7-9]。EMI噪声将会影响电子设备的正常工作状态和电子通讯设备的通信质量，并会对微弱信号检测电路造成较大的影响[10]。此外，由于EMI噪声所造成的恒流源基准电压的不稳定也会造成电路运行的不稳定[11]。为了抑制EMI噪声，使得开关电源的输出电压更加稳定，保证电路的平稳运行，本文设计了基于AC-DC开关电源的外接滤波器电路，其能够有效抑制开关电源电路中普遍存在的两种噪声，从而使开关电源输出电压更加稳定，确保了电路的正常运行。

1 开关电源噪声分析

EMI噪声按照传输途径的不同，可以划分为共模及差模干扰噪声。在开关电源模块中差模干扰噪声具体表现为浪涌电压，其将会使开关电源输出电压幅值波动较大，使得开关电源无法提供稳定的电压。浪涌电压所造成过高的瞬时电压很可能会导致电路的损坏，例如使得二极管被击穿或电容被烧坏，进而使电子设备无法正常工作。对于高频尖峰脉冲数据采集电路而言，浪涌电压会对电路产生毛刺[12]。

1.1 浪涌电压

如图1为某L系列的AC-DC开关电源原理图。由图可知，输电网中的高压电经过整形电路以及滤波电路作用后，输出电压信号再通过Buck变换器，由PFM电路来对输出电压的占空比进行调节，其原理为通过控制半导体JEFT管的导通与关断来输出电压，并保持电压的稳定。由于场效应晶体管不停在导通以及关断之间变换，造成感性负载中的电流也随之不停地发生突变，进而导致第一级线圈中产生浪涌电压。同样的，在输出端也会出现与开关频率相同的纹波，浪涌电压的大小决定于开关电源内部所包含的LC电压和等效串联电阻[13]，而电压频率则与场效应晶体管导通关断状态转换频率一致，其为差模噪声。

图1 某L系列AC-DC开关电源原理

1.2 高频尖峰脉冲

高频尖峰脉冲为共模噪声，其主要分为两种噪声。一种是由于整流二极管的反向恢复特性而产生的[14]。如图1中所示，二极管D1由于具有反向恢复特性，当场效应晶体管在导通与关断状态之间切换时会产生尖峰电流。其次，在LC滤波电路中分布参数和寄生电容等因素的作用下电路中将会出现谐振，此时电磁振动幅值将达到最大，导致谐波的产生，从而对电路形成干扰；另一种是当场效应晶体管在导通与关断状态中间切换时，其在上升与下降阶段所产生的高频噪声，噪声频率通常约为几十MHz。与浪涌电压相比，高频尖峰脉冲幅值通常更大，其对电路稳定性影响也更大。

2 噪声类型分析

由于其特有的工作方式使得电源开关自身能够产生强大的EMI噪声，且不同的开关电源模块所产生的噪声类型不同。为了有效抑制干扰噪声，必须对不同开关电源模块所产生的噪声分布进行分析。相对于其他开关电源模块，L系列开关电源模块中出现的噪声主要为谐振所导致的谐波以及高频尖峰脉冲。L系列开关电源模块所产生的谐波噪声频率约为63 kHz，而共模干扰，即高频尖峰脉冲频率在12 MHz左右。两种噪声同时起作用后所形成的叠加噪声峰峰值将近100 mV，符合开关电源噪声所拥有的特性。因此，可知该开关电源模块噪声为63 kHz，噪声波形如图2所示。

图2 开关电源模块初始输出噪声

3 滤波电路设计

3.1 差模干扰抑制电路参数

针对测试后所得到的噪声幅频特性，本文采用由差模电容以及差模电感所构成的L型低通滤波电路[7]，其截止频率由式(1)可计算

(1)

式中，LD和CD分别为抑制差模干扰的电感值和电容值。

一般而言，在L型低通滤波电路中，差模电容的电容值较大，而电感则基于铁粉芯磁材料制成的。其具有两个优点，首先是电感值较高，其次是此类电感在抑制差模干扰方面效果显著。在电容选择上，因为电解电容结构上存在缺陷，导致其在高频电路中对外呈现为感性，因而在抑制差模干扰上未能取得明显的抑制结果。为解决这一问题，本文将电解电容与陶瓷电容并联使用，这不仅能够有效抑制高频噪声，同时也能为基准电压起到耦合作用。

经过滤波电路后，差模干扰得到了改善。如图3所示，噪声幅值基本维持在5 mV以内，其与理论所计算得到的噪声幅值是一致的，但高次谐波却仍未被有效抑制，其频率依然在约12.5 MHz。

图3 高频尖峰脉冲噪声

3.2 共模干扰抑制电路参数

共模干扰噪声其幅值大且所处频率高，并对电子设备所造成的干扰大。为了降低尖峰脉冲对电路造成的影响，可采取在AC电源输出端口增加相应的滤波电路来抑制高频尖峰脉冲生成EMI滤波。其主要通过共模电感或电容来完成，为了确定滤波电路，首先需要对相关参数进行计算。对于共模电容，在工作条件下一般采用nF级，对于共模电感，在设定截至频率的情况下，可由式(2)计算得

(2)

结合前文所分析的两种干扰噪声，本文所设计的开关电源外接滤波电路如图4所示。首先，输电网高压电经过开关电源模块后，输出端先接由差模电感以及差模电容组成的低通滤波电路，消去低频差模干扰噪声。然后，再将输出通过共模电感以及共模电容组成的电磁干扰滤波电路来抑制高频脉冲噪声的生成。由于共模电感由多个绕组构成，这里为两个绕组，绕组之间存在间隔，易发生磁通泄露，导致干扰噪声产生，影响电路正常运行。为解决这一问题，可将输出电压通过差模LC滤波电路，去除剩余低频干扰。

图4 滤波电路原理

将图4滤波电路应用于实际开关电源中，经测试该滤波电路能够有效抑制差模干扰及共模干扰。经过滤波电路后开关电源的交流信号，如图5所示。从图中可以看到，开关电源中存在的两种干扰已被有效抑制，该开关电源能够符合恒流源基准电压的要求。

图5 综合滤波处理后噪声

4 结束语

为了抑制EMI噪声，使得开关电源的输出电压更加稳定，保证电路的稳定运行，本文设计了基于AC-DC开关电源的外接滤波器电路。通过对某L系列的开关电源进行测试，对开关电源中所存在的干扰进行分析，并分别针对不同噪声提出相应的抑制电路，最终将电路相结合得到完整的滤波电路。实验测试表明，该电路能够有效抑制开关电源电路中普遍存在的两种噪声，使得开关电源输出电压更加稳定，保证了电路的正常运行。

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Design of External Filter Circuit for Switching Power Supply Based on AC-DC

LIU Yanzhu

(Huizhou Engineer & Technique School,Huizhou 516001,China)

In order to suppress the EMI noise, making the switching power supply output voltage is more stable, to ensure the stable operation of the circuit, the standard design based on AC-DC switching power supply external filter circuit. In this paper, the switching power supply of a L series is tested, the interference in the switching power supply is analyzed, and the corresponding suppression circuit is put forward for different noise respectively. Finally, the circuit is combined to get the complete filter circuit. The experimental results show that the circuit can effectively suppress the two kinds of noise in the switching power supply circuit, which makes the output voltage of the switching power supply more stable, and ensures the normal operation of the circuit.

switching power supply; filter circuit; EMI noise

2017- 03- 30

刘艳竹(1979-)，女，讲师。研究方向：电工与电子。

TN914

A

1007-7820(2018)02-085-03